王今菲，楊清華*，于樂江，宋米榮，羅昊，施騫，李雪薇，閔超，劉驥平

(1.中山大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院 熱帶大氣海洋系統(tǒng)科學(xué)教育部重點實驗室，廣東 珠海 519082；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519082；3.中國極地研究中心 自然資源部極地科學(xué)重點實驗室，上海 200136；4.中國科學(xué)院大氣物理研究所 大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點實驗室，北京 100029)

1 引言

南極海冰是極地氣候系統(tǒng)的重要組成部分，也是全球氣候變化最為敏感的要素之一。南極海冰影響著大氣和海洋界面的通量（如熱量、動量、物質(zhì)等）交換，參與南大洋復(fù)雜的大氣-海冰-海洋相互作用：例如，通過冰間湖形成過程中的鹽析作用促進底層水的生成[1-2]，進而驅(qū)動全球大洋環(huán)流。南極海冰融化和凍結(jié)導(dǎo)致海水溫度、鹽度變化以及繞極深層水位置的調(diào)整，影響了冰架底部融化和海平面升高[3-4]。同時，海冰能夠反射大部分太陽輻射，直接影響南半球高緯度天氣和氣候系統(tǒng)，包括云的形成以及降水形態(tài)，進而影響南極冰蓋物質(zhì)平衡及海平面變化[5-6]。同時，南極海冰對南大洋生物地球化學(xué)過程也極為重要[7]，其季節(jié)性生消會影響到磷蝦、企鵝、海豹和鯨等諸多生物構(gòu)成的南極生態(tài)系統(tǒng)[8-9]。然而，受制于極端惡劣的天氣氣候環(huán)境，南大洋冰區(qū)是目前地球上觀測最少的地區(qū)之一，人類對此區(qū)域的了解甚至尚不能完全保障船舶的安全航行。2014 年1 月，俄羅斯“紹卡利斯基院士”號科考船受困南極浮冰區(qū)，前去救援的“雪龍”船在成功解救俄羅斯科考船后，受南大洋強氣旋所致的海冰快速堆積的影響，也一度受困浮冰區(qū)[10]；2019 年1 月，突發(fā)大霧天氣導(dǎo)致“雪龍”船無法準(zhǔn)確分辨出冰山和海冰，使其在南極阿蒙森海域碰撞冰山，“雪龍”船局部受損，并影響到后續(xù)科考任務(wù)的執(zhí)行。這些意外事件直接反映了目前我們對南極海冰的認(rèn)知水平仍非常有限。

全球變化背景下，南極和北極海冰呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。近40 年來，與北極海冰的快速減少相反，南極海冰范圍先是呈現(xiàn)出穩(wěn)定的緩慢增長趨勢[11-12]，9 月海冰范圍在2012 年、2013 年和2014 年不斷刷新最高值紀(jì)錄，但截至2017 年，整個南極地區(qū)的海冰范圍變化僅在秋季才具有統(tǒng)計顯著性，且羅斯海海冰面積的增加趨勢最顯著[13-14]。隨后南極海冰又迅速減少[15-16]，夏季海冰范圍在2017 年降到歷史最低值（圖1）。海冰面積不斷達到最小值，使得羅斯海的增加趨勢在統(tǒng)計上也不再顯著[14]。針對海冰的突變減少，盡管有研究從季節(jié)尺度變化進行了分析[15-18]，但目前仍無法確認(rèn)這究竟是一次短暫的異常事件還是南極海冰長期減退趨勢的開端[19]。此外，南極海冰的變化趨勢還表現(xiàn)出顯著的區(qū)域性和季節(jié)性變化特征[20-21]。在融化期，羅斯海和威德爾海海冰范圍呈現(xiàn)增加趨勢，而阿蒙森-別林斯高晉海海冰范圍則呈現(xiàn)減小趨勢（即偶極子變化趨勢）[11,20]；南極海冰季節(jié)性變化周期高度一致，且呈現(xiàn)非對稱性特征，即緩慢生長但快速融化[21]。兩極海冰受自然變異和人類活動的控制和影響顯著不同，可能是因為兩極的地理差異導(dǎo)致大氣-海冰-海洋相互作用的不同[14]。Nature期刊于2017 年發(fā)表了題為《破解南極海冰之謎（Solve Antarctica’s Sea-ice Puzzle）》的評論文章，呼吁國際學(xué)界加強對南極海冰的協(xié)同研究[22]。

圖1 1979-2020 年南、北極海冰范圍異常的時間序列（相比1981-2010 年氣候態(tài)異常平均而言）Fig.1 Time series of Arctic and Antarctic sea ice extent anomaly from 1979 to 2019 compared with the climatology from 1981 to 2010

南極海冰的變化具有氣候效應(yīng)，能夠影響南極冰蓋物質(zhì)平衡，進而影響海平面變化[5-6]。全球變化背景下，預(yù)計南極冰蓋質(zhì)量將持續(xù)損失[23]，冰蓋表面融化期加長，冰架崩塌更易出現(xiàn)。同時，南極冰蓋邊緣在加速變薄，使南極冰蓋可能成為21 世紀(jì)全球海平面上升的最大貢獻者[24-25]。積雪和溫度是影響南極冰蓋的重要因素，已有研究多側(cè)重南半球大氣環(huán)流對南極海冰整體極端分布的影響，但前人很少關(guān)注南極海冰的變化對南極大陸上空的降雪和溫度進而對南極冰蓋產(chǎn)生怎樣的影響。

目前針對南極海冰變化的研究，主要是基于海冰密集度數(shù)據(jù)及由此得到的海冰范圍。相較于南極海冰密集度和范圍，海冰厚度或體積更能代表海冰的物質(zhì)平衡，其變化信息對我們量化分析全球變化背景下南極不同區(qū)域海冰的響應(yīng)尤為關(guān)鍵。由于現(xiàn)場觀測有限，長期海冰厚度數(shù)據(jù)的獲取主要依賴于衛(wèi)星遙感監(jiān)測。但由于南極表面積雪較厚、分布復(fù)雜，且夏季積雪變質(zhì)導(dǎo)致雪的介電性質(zhì)受到影響，衛(wèi)星遙感觀測到的冰厚存在很大偏差[26-27]。數(shù)值模式的模擬，可彌補現(xiàn)場觀測和衛(wèi)星遙感監(jiān)測的南極海冰厚度的不足，然而大多數(shù)CMIP5 和CMIP6 氣候模式無法模擬出南極海冰范圍的增長趨勢[28-29]（圖2），特別是南極不同海域的海冰變化差異。這反映出氣候模式對南極海冰的模擬能力有限，其海冰厚度或體積的模擬結(jié)果存在很大的不確定性。在大氣再分析資料驅(qū)動的海冰-海洋耦合模式中引入資料同化，可有效改善對南極海冰厚度和體積變化的估計。如通過在海冰-海洋耦合模式中同化海冰密集度觀測，Massonnet 等[30]給出了1990-2008 年南極海冰體積總體增加的變化趨勢，但由于未引入冰厚的觀測信息，其海冰厚度的結(jié)果仍存在很大的不確定性[31]。總體而言，國際上尚缺少對南大洋及其局部區(qū)域海冰厚度變化的連續(xù)、可靠估計，這嚴(yán)重制約了南極海冰及相關(guān)氣候變化研究工作的開展。

圖2 1979-2014 年南極海冰密集度變化趨勢（引自文獻[29]中圖4）Fig.2 The trend of Antarctic sea ice concentration from 1979 to 2014 (this figure is cited from Fig.4 in reference [29])

本文從南極海冰范圍變化、厚度變化及海冰變化引起的氣候效應(yīng)3 個方面綜述了國內(nèi)外相關(guān)的研究進展，科學(xué)認(rèn)知南極海冰前沿成果的研究水平，指出當(dāng)前需要攻克的難題，推動南極海冰相關(guān)研究的發(fā)展。

2 南極海冰范圍變化

被動微波遙感傳感器（如SMMR、SSM/I、SSMIS、AMSR-E 和AMSR2）可對南極海冰密集度和覆蓋范圍開展有效的衛(wèi)星遙感探測。目前國際上有多種基于被動微波的極地海冰密集度產(chǎn)品，覆蓋時段為自1978 年10 月至今。然而，被動微波傳感器對精細(xì)尺度的浮冰、水道和冰緣[32]的探測仍然存在一定的誤差。同時，由于傳感器的壽命有限，海冰密集度資料通常由多種傳感器的觀測結(jié)果組合而成[33]，這些傳感器的探測能力各不相同，且它們的重合期很短。此外，在海冰密集度反演過程中應(yīng)用不同的算法也會產(chǎn)生不同的結(jié)果[34]。已有研究對不同海冰密集度產(chǎn)品及算法進行了系統(tǒng)性比較[34-35]，發(fā)現(xiàn)這些算法都低估了冰厚小于35 cm 的海冰密集度[34]，且海冰密集度最大的不確定性位于海冰邊緣區(qū)。Hobbs 等[19]比較了基于4 種反演算法的南極海冰密集度數(shù)據(jù)，包括NASA Team 算法[36]、新舊Bootstrap 算法[37-38]、融合算法[39]，發(fā)現(xiàn)除舊版本的Bootstrap 算法外，其余算法顯示的海冰范圍年變化基本一致。

基于1978 年以來連續(xù)40 年的南極海冰密集度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，國際上已開展了較多的針對南極海冰范圍變化的研究。前人研究指出，造成南極海冰范圍長期變化的因素主要有大氣環(huán)流異常、海洋熱通量變化和人類活動[14,19,21]。其中，大氣環(huán)流異常對南極海冰范圍的長期趨勢和年際變化有著重要影響。以下節(jié)將從上述3 個方面展開討論。

2.1 大氣環(huán)流異常

在南極海冰范圍長期變化趨勢方面，Liu 等[40]和Yu 等[41]發(fā)現(xiàn)南半球環(huán)狀模（Southern Annular Mode,SAM）指數(shù)正的趨勢下，別林斯高晉海和南極半島海區(qū)的海冰密集度減小，其他海區(qū)的海冰密集度增大。但是Ferreira 等[42]注意到SAM 正位相在前期導(dǎo)致南極海冰整體擴張，但在更長時間尺度上，增強的西風(fēng)引起繞極深層水上涌促進海冰融化，導(dǎo)致南極海冰整體減少。同時，阿蒙森海低壓（Amundsen Sea Low,ASL）加深有利于別林斯高晉海和南極半島海區(qū)的海冰密集度減小和羅斯海海冰密集度的增大[43]。但是1979-2013 年期間，加深的ASL 不能解釋西羅斯海海冰的減少[19]。厄爾尼諾-南方濤動（El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO），特別是東太平洋型厄爾尼諾，可以解釋羅斯海和南印度洋正的海冰變化趨勢[44]。西南極海冰冬、春季的變化趨勢與太平洋和大西洋海溫的年代際變化，即太平洋十年濤動（Pacific Decadal Oscillation,PDO）[45]、太平洋年代際振蕩（Interdecadal Pacific Oscillation,IPO）[45]和大西洋年代際振蕩（Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO）[46]有 關(guān)。但Hobbs 等[19]認(rèn)為AMO 和IPO 不能完全解釋羅斯海冬春季海冰的變化趨勢，同時AMO 和IPO 在南半球夏季對南極海冰的影響也較弱[47]。對于1979-2014年各海區(qū)海冰范圍的變化趨勢，無法用單一的大尺度大氣環(huán)流因素來解釋[48]。針對2015 年以后南極海冰范圍顯著減少的現(xiàn)象[15]，已有學(xué)者從南大洋上層的增暖[18]、與緯向波數(shù)三模態(tài)相關(guān)的大氣環(huán)流異常[15,49]以及偏弱的極地平流層極渦導(dǎo)致的減弱的繞極表層西風(fēng)[49]等方面開展了研究。

在年際變化方面，SAM 對南極海冰的影響表現(xiàn)出一定的緯向非對稱性[50]。當(dāng)SAM 為正位相時，威德爾海海冰偏少、羅斯海海冰偏多，反之亦然。東太平洋型ENSO 能夠產(chǎn)生南極海冰的偶極子模態(tài)，即在厄爾尼諾年，阿蒙森海的海冰面積偏小，南極半島附近海冰偏多；拉尼娜年呈相反的變化[51]。中太平洋型厄爾尼諾在南半球冷季對南極海冰的影響與東太平洋型ENSO 類似，只是異常區(qū)域的位置偏西；在暖季，中太平洋型厄爾尼諾對南極海冰的影響相對東太平洋型ENSO 偏弱[52]。緯向波數(shù)三模態(tài)對秋季南極海冰的影響呈現(xiàn)緯向三波的結(jié)構(gòu)[53]。半年周期濤動（the Semiannual Oscillation）能夠?qū)е? 月別林斯高晉海的海冰偏多，其他海區(qū)的海冰偏少[54]。印度洋偶極子（Indian Ocean Dipole,IOD）能夠增大南印度洋60°E 附近的海冰密集度，減小90°E 附近的海冰密集度[55]；而在南太平洋海區(qū)，IOD 對南極海冰的影響受到ENSO 干擾[55]。然而，上述影響因子尚不能充分解釋整個南極海冰范圍的年際變化[54]。

南極海冰的季節(jié)內(nèi)振蕩變化規(guī)律仍沒有得到充分認(rèn)識。Renwick 等[56]使用最大協(xié)方差分析獲得不同季節(jié)南極海冰密集度和大氣環(huán)流在季節(jié)內(nèi)時間尺度上的耦合模態(tài)，發(fā)現(xiàn)第一模態(tài)是緯向三波數(shù)的模態(tài)，是南半球高緯度大氣自身振蕩的結(jié)果，且海冰和大氣環(huán)流之間的最大相關(guān)出現(xiàn)在海冰滯后4～5 d 的時候。Kohyama 和Hartmann[44]發(fā)現(xiàn)南極海冰密集度和大氣環(huán)流的耦合周期是20 d 和40 d，耦合模態(tài)的空間分布是PSA（Pacific-South American）模態(tài)，且與ENSO 無關(guān)。Henderson 等[57]發(fā)現(xiàn)季節(jié)內(nèi)振蕩發(fā)生1～2 周之后能夠影響到南極的大氣環(huán)流。

2.2 海洋熱通量變化

南大洋弱的海洋層結(jié)和高的海洋熱通量[58]導(dǎo)致南極海冰變化與上層海洋層結(jié)改變所引起的海洋熱通量變化有密切關(guān)系。前期的研究表明存在如下影響海洋熱通量的反饋機制。Zhang[59]發(fā)現(xiàn)秋季海冰產(chǎn)冰量和次年夏季產(chǎn)冰量之間存在負(fù)反饋過程，可用于解釋秋季增溫的大氣和海洋導(dǎo)致次年夏季海冰增多的現(xiàn)象。Goosse 和Zunz[60]認(rèn)為當(dāng)年偏多的海冰會析出更多鹽分進入深層海洋，這些鹽分在次年冬季沒有返回表層水體，導(dǎo)致次年冬季的海洋層結(jié)增強、海洋熱通量減小、海冰覆蓋增加。Lecomte 等[61]認(rèn)為這種海洋正反饋過程能夠解釋羅斯海的海冰增加。這兩種相反的反饋機理對海洋的背景水體、海冰運動和作用的時間尺度有著不同的要求[19]。

大氣環(huán)流異常和冰架融化除通過直接影響南極海冰變異外，還可作為促發(fā)因素，以外部淡水輸入的形式，通過海冰-海洋的反饋機制影響海冰變化[60]。Bintanja 等[62]認(rèn)為冰架融化的淡水能夠增強海洋水體層結(jié)，從而導(dǎo)致南大洋海冰范圍增加。Liu 和Curry[63]認(rèn)為降水增加也可以增強海洋水體層結(jié)，導(dǎo)致南極海冰范圍增加。

2.3 人類活動影響

人類活動導(dǎo)致的溫室氣體增加和臭氧消耗，使SAM 指數(shù)存在上升趨勢[64]，從而影響南極海冰的變化。但是這種影響的時間尺度存在很大的不確定性[65]。一些研究認(rèn)為臭氧消耗會導(dǎo)致ASL 的加深和別林斯高晉海海冰的減少[66-67]。通過數(shù)值模擬，Xia 等[68]指出臭氧引起的云輻射效應(yīng)在南極海冰變化中也起著重要作用，南極臭氧空洞會導(dǎo)致高緯云層向下長波輻射的減少，從而造成了海冰的增長。也有觀點認(rèn)為南極海冰的局地變化可能不是臭氧損耗造成的[69]。同時，由于南極沿岸重水下沉[70]、南大洋對臭氧和溫室氣體的相反響應(yīng)[71]、南極海冰-海洋負(fù)反饋[72]的作用，南大洋對于人類活動的響應(yīng)比北極更弱，南大洋的低信噪比會使人類活動影響海冰變化的信號被年代際變化信號所掩蓋[19]。由于衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的時間較短，自然變率和人類活動對海冰變化的貢獻尚不能明確區(qū)分，而Crosta 等[73]通過重建和分析過去2 000年的海冰范圍數(shù)據(jù)指出南大洋的自然變率對海冰年代際變化的影響較大。

3 南極海冰厚度變化

相較于南極海冰范圍變化的研究，當(dāng)前國內(nèi)外對海冰厚度和體積變化及其機制的研究較少，南極海冰體積的變化規(guī)律尚不清楚，海冰厚度的估計是體積變化研究的難點。本章節(jié)將從觀測數(shù)據(jù)和資料同化兩個方面來討論南極冰厚的研究進展。

3.1 南極海冰厚度的現(xiàn)場觀測和衛(wèi)星遙感

海冰厚度觀測多集中在北極[74]，而南大洋的海冰厚度觀測數(shù)據(jù)則更為稀少。表1給出了目前國際上可獲取的主要南極海冰厚度現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)。Worby等[75]匯編了基于南極海冰過程和氣候（Antarctic Sea Ice Processes &Climate,ASPeCt）觀測規(guī)范的南大洋船載觀測數(shù)據(jù)，首次給出了南大洋區(qū)域平均海冰厚度圖，但由于航行路線多位于薄冰區(qū)以及目測的誤差，ASPeCt 在厚冰區(qū)觀測到的冰厚偏低[76]；Worby 等[77]和Behrendt 等[78]分別使用系泊聲吶冰厚觀測數(shù)據(jù)分析了東南極和威德爾海的海冰厚度變化；美國國家航空航天局（NASA）冰橋行動（Operation IceBridge）項目使用機載激光高度計獲得了威德爾海海冰厚度截面信息且已被有效利用在研究中[27,79]；Williams 等[76]通過自動水下機器人的觀測發(fā)現(xiàn)76%的海冰是形變冰，并且實際冰厚應(yīng)當(dāng)比大部分的鉆孔和船測獲得的冰厚更大?；诂F(xiàn)場鉆孔、電磁感應(yīng)、磁滯位移、電容感應(yīng)和海冰物質(zhì)平衡浮標(biāo)等方式，我國學(xué)者也開展了南極海冰厚度的局地現(xiàn)場測量[80-82]。此外，世界氣候研究計劃（World Climate Research Programme）和南極科學(xué)委員會（Scientific Committee on Antarctic Research）組織的國際南極浮標(biāo)計劃（International Programme for Antarctic Buoys），也致力于在南大洋特別是海冰上建立漂流浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)并提供實時的氣象和海洋觀測數(shù)據(jù)，其中包括海冰厚度、溫度和運動等信息。環(huán)南極固定冰監(jiān)測網(wǎng)（Antarctic Fast Ice Network）則旨在建立環(huán)繞南極海岸線的固定冰監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)收集海冰厚度、雪厚、固定冰形成和崩解等信息。

表1 現(xiàn)有的主要南極海冰厚度現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)Table 1 Available Antarctic sea ice thickness field observations

但國內(nèi)外現(xiàn)有的南極海冰厚度現(xiàn)場觀測在時間和空間上都非常稀疏，無法從整體上給出南極海冰厚度的年際變化和趨勢。

遙感探測可部分彌補現(xiàn)場觀測的不足，但海冰厚度的遙感探測仍然充滿挑戰(zhàn)[83]。特別是，南極海冰表面的積雪更厚、分布更加復(fù)雜，由于很難量化海冰表面積雪的厚度、密度以及確定積雪重量是否已將海冰表面擠壓到水面以下[22]，導(dǎo)致南極海冰厚度衛(wèi)星反演的難度更大。直到近年，國際上才發(fā)布了一些南極海冰厚度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，如表2所示。目前以及即將可用的5 種南極冰厚遙感數(shù)據(jù)包括：（1）ERS-1 和ERS-2 冰厚數(shù)據(jù)，覆蓋時間分別為1991-2000 年和1995-2011 年[84]，但測得的海冰出水高度偏高[85]；（2）歐洲航天局于2018 年8 月發(fā)布的基于Envisat 和CryoSat-2 衛(wèi)星的SICCI 2.0 冰厚產(chǎn)品，覆蓋時間從2002 年到2017年[89]，但它們使用的雷達高度計受濕度和鹽度影響穿透能力不足[90]；（3）ICESat-1冰厚數(shù)據(jù)[86-87]，但覆蓋時間較短（2003-2009 年）且不連續(xù)，同時不同的反演算法產(chǎn)生的冰厚差異較大[88]；（4）德國不來梅大學(xué)和阿爾弗雷德魏格納研究所-亥姆霍茲極地與海洋研究中心發(fā)布的SMOS 南極冰厚產(chǎn)品，覆蓋時間是從2010 年至今，但由于亮溫反演算法的限制，SMOS 產(chǎn)品只能準(zhǔn)確反演薄冰冰厚[91]；（5）美國宇航局發(fā)布的ICESat-2 南極冰厚數(shù)據(jù)，覆蓋時間從2018 年9 月至今[92]。其中，SMOS 衛(wèi)星比較適合探測薄冰厚度，而CryoSat-2 比較適合探測厚冰。需要指出的是，相比北極，由于南極雪厚產(chǎn)品的誤差較大以及雷達受濕度和鹽度影響穿透能力不足[27]，南極冰厚遙感數(shù)據(jù)存在更大的不確定性，其結(jié)果仍需系統(tǒng)性驗證[93]?？梢?，僅利用目前獲取的海冰遙感數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確估算南極海冰厚度和體積變化。而資料同化會在同時考慮模式誤差和觀測誤差的框架下，將模式信息和觀測信息有機結(jié)合起來，從而給出更準(zhǔn)確的海冰狀態(tài)估計[94]。

表2 現(xiàn)有的主要南極海冰厚度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)Table 2 Available Antarctic sea ice thickness remote sensing data

3.2 南極海冰資料同化和厚度估計

先進的海冰資料同化方法是成功估計和預(yù)測極地海冰的關(guān)鍵[95]。國際上現(xiàn)行的海冰業(yè)務(wù)預(yù)測系統(tǒng)使用了不同的資料同化方法，如Nudging、最優(yōu)插值、三維變分和集合卡曼濾波（Ensemble Kalman Filter,EnKF）等[96]。因為可以考慮預(yù)報誤差的動態(tài)演變，且無需發(fā)展復(fù)雜的伴隨模式，EnKF 是適用于當(dāng)前復(fù)雜、高維數(shù)值模式的最佳資料同化方法。其中，局地誤差子空間變換卡曼濾波（Local Error Subspace Transform Kalman Filter）對海冰資料同化計算更加高效，且結(jié)果更加合理[97]。

相比北極而言，國際上的南極海冰資料同化研究較少，南極海冰厚度資料同化更是空白。Zhang 和Rothrock[98]基于海冰密集度資料同化發(fā)展了全球海冰-海洋再分析數(shù)據(jù)（Global Ice-Ocean Modeling and Assimilation System,GIOMAS）；Massonnet 等[30]首次開展了基于海冰密集度資料同化的南極海冰厚度和體積數(shù)據(jù)重構(gòu)，成功給出了1998-2008 年以來南極海冰體積的合理變化趨勢；Verdy 和Mazloff[99]基于海洋和海冰密集度資料同化發(fā)展了南大洋再分析數(shù)據(jù)SOSE（Southern Ocean State Estimate）。受制于缺乏海冰厚度觀測數(shù)據(jù)，上述研究僅同化了衛(wèi)星觀測的海冰密集度信息，其冰厚估計結(jié)果存在很大的不確定性[31]。

相較于南極海冰范圍變化的研究，受制于冰厚觀測數(shù)據(jù)匱乏，當(dāng)前國內(nèi)外對海冰厚度和體積變化及其機制的研究較小。Zhang[59]，Massonnet 等[30]和Holland 等[100]利用海冰-海洋耦合模式研究發(fā)現(xiàn)在南半球冬季，威德爾海南部和羅斯海的海冰厚度增加，別林斯高晉海的海冰厚度減小，而CMIP5 模擬出全南極海冰體積的減小[28]。Kurtz 和Markus[87]認(rèn)為夏、秋季海冰范圍的增長抵消了海冰厚度的小幅減小，最終導(dǎo)致體積變化幅度很??；但由于厚度和體積不確定性很大，尚不能從中得到長期趨勢和周期性變化。

4 南極海冰變化的氣候效應(yīng)

南極海冰觀測數(shù)據(jù)缺乏以及海冰變化物理機制的不明確，導(dǎo)致我們對其氣候效應(yīng)的認(rèn)知還不夠充分。

南極海冰變化對于南半球大氣環(huán)流具有顯著的影響。Wu 和Zhang[101]采用滯后最大協(xié)方差分析方法分析了南半球春季500 hPa 位勢高度場與海冰異常之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)位勢高度場與超前4 個月的海冰異常場存在顯著相關(guān)，表明南極海冰異常對大氣環(huán)流存在超前反饋作用。Raphael 等[102]分析氣候系統(tǒng)模式CCSM3 的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)極地環(huán)流在海冰極?。ù螅r擴張（收縮）并伴隨著費雷爾環(huán)流的變化，同時SAM 的位相也會受到影響。前人的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)南極海冰變化對大氣熱通量及表面溫度有顯著影響[103]。Kidston 等[104]利用CAM3 大氣模式分析了海冰邊界整體擴張或縮小時大氣的反饋，發(fā)現(xiàn)只有在冷季時，海冰范圍會通過改變表面溫度梯度影響南半球中緯度急流的強度并使其向極移動。Bader 等[105]首次分析了南半球海冰密集度減小時的大氣環(huán)流響應(yīng)，結(jié)果顯示海冰減少時，南半球中緯度急流及風(fēng)暴軸向赤道移動。而對于2014 年之前南極海冰面積持續(xù)增長對氣候的影響以及海冰增長的持續(xù)時間問題，Parise 等[106]通過考慮當(dāng)前氣候下海冰極大值的持久性及南半球耦合氣候系統(tǒng)對南極海冰增加的敏感性和記憶性進行了分析。該研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)海冰增加時，其上空大氣穩(wěn)定性的增加使極地急流增強并向極移動，而中緯度地區(qū)斜壓性增加，副熱帶急流向北擴張并減弱，同時低層氣壓在高緯度減弱而在中緯度增加（SAM 正位相事件），這與Smith 等[107]的研究結(jié)論一致。

南極海冰變化還可以通過影響大氣活動，進而影響其他氣候要素的變化。England 等[108]通過分析WACCM4 大氣模式得到的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，21 世紀(jì)末南極海冰減少使得對流層急流向赤道偏移，南極內(nèi)陸表面溫度降低，而南極半島和西南極溫度升高，這種表面溫度的變化會進一步影響南極大陸冰蓋的穩(wěn)定性[25]。而4 倍CO2突增的CMIP5 試驗結(jié)果顯示南極海冰減少，SAM 負(fù)位相增強，急流減弱并向赤道移動，平流層極渦在春季減弱[109]。此外有研究發(fā)現(xiàn)，南極海冰變化可以跨赤道影響北半球季風(fēng)包括東亞季風(fēng)和印度季風(fēng)，進而影響東亞和印度地區(qū)的降水變化[110]。

上述針對南極海冰變化對大氣的反饋研究，試驗分析更多側(cè)重在大氣對海冰整體極端分布時的響應(yīng)，而對近年來南極海冰變化，特別是海冰偶極子變化趨勢以及最近幾年南極海冰的突變減少對大氣環(huán)流的影響研究還需加強。另一方面，針對南極海冰變化激發(fā)的大氣環(huán)流變化，對南極冰蓋上降水和溫度的變化及其對冰蓋穩(wěn)定性等的影響，目前的研究還很少。需要指出的是，采用耦合模式（氣候系統(tǒng)模式）和采用單一的大氣模式可能會得到不同的模擬結(jié)果，因為耦合模式中的海洋動力作用可將海冰變化的影響擴展到更高的緯度[107]。因此，選用國際先進的大氣模式和耦合模式分別進行南極海冰變化效應(yīng)的機理研究很有必要。

南極海冰的變化還會對南大洋碳匯產(chǎn)生影響。南大洋是連接世界主要海盆的關(guān)鍵區(qū)域，在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用：Fogwill 等[111]通過重建高緯南大洋表面生產(chǎn)力揭示了南極逆冷時期（Antarctic Cold Reversal,ACR）持續(xù)升高的海洋生產(chǎn)力信號與南極海冰范圍的最大季節(jié)變化相對應(yīng)，表明海冰的生物反饋增強了CO2的固存并形成了一個重要的區(qū)域性海洋碳匯；Gupta 等[112]使用數(shù)值模擬和理想理論揭示了海冰變化可能對南大洋的CO2海氣通量產(chǎn)生影響，當(dāng)海冰覆蓋均勻且不隨時間變化時，CO2通量基本保持恒定；Shadwick 等[113]根據(jù)大陸架上的錨系數(shù)據(jù)估計西南極半島海域的CO2海氣通量，結(jié)果表明該海域在夏季吸收大氣CO2，在秋季和冬季則是平衡狀態(tài)。

南大洋的鹽度變化及大洋熱鹽環(huán)流也受到南極海冰變化的影響。Haumann 等[114]揭示了南極海冰的向北輸運趨勢是導(dǎo)致南大洋鹽度變化的主要因素。Nadeau 等[115]發(fā)現(xiàn)南極海冰范圍的擴張和南極海冰形成的速率增加都會導(dǎo)致大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流向上偏移至高于跨等密度面混合作用較強的深度（2 000 m以淺），從而使大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流與深層翻轉(zhuǎn)環(huán)流分離。

5 總結(jié)與展望

南極海冰范圍和體積變化的機制及其氣候效應(yīng)仍然存在很多待解決的科學(xué)問題。首先，影響南極海冰變化的所有可能因素中，大氣環(huán)流異常及其觸發(fā)的海冰-海洋反饋機制對南極海冰范圍的長期變化趨勢和年際變化有著重要影響，但已有研究未能充分考慮多氣候模態(tài)的共同作用，以及海-冰-氣相互作用的耦合影響；其次，受海冰厚度遙感觀測和數(shù)值模擬能力所限，國際上仍缺少一套可靠的海冰厚度和體積變化數(shù)據(jù)，這導(dǎo)致現(xiàn)有研究主要集中在海冰范圍變化，無法準(zhǔn)確量化全球變化背景下的海冰體積變化規(guī)律；第三，目前南極海冰變化對南極冰蓋和氣候影響的研究還不明確。

針對當(dāng)前南極海冰變化研究的不足，需要我們從以下3 個方面開展研究。

首先是突破南極海冰體積變化難題。目前國際上仍缺少可靠的海冰厚度觀測數(shù)據(jù)，這要求我們一方面提高觀測能力，設(shè)計優(yōu)化觀測方案，綜合開展大型現(xiàn)場觀測計劃；另一方面改進遙感反演算法，減小遙感冰厚產(chǎn)品誤差。同時，北極海冰資料同化研究經(jīng)驗[95,97]表明，在缺少海冰厚度觀測的時期（1979-1990年），可基于模式變量之間的物理關(guān)系，通過多變量同化得到南極海冰厚度估計；而在具有南極海冰厚度觀測的時期（1991 年至今），可基于模式和觀測及其誤差信息，通過資料同化得到更準(zhǔn)確的南極海冰厚度估計。但相比北極，南大洋的海冰-海洋特性以及各變量間的物理關(guān)系更為復(fù)雜。因此，應(yīng)發(fā)展基于集合的、適用于南大洋的海冰-海洋耦合資料同化方法，在考慮數(shù)值模式誤差和遙感觀測誤差框架下，研究海冰厚度資料同化對南大洋海冰-海洋數(shù)值模擬的影響，重構(gòu)長時間的南極海冰厚度和體積序列[116]。

其次是深入理解南極海冰范圍和體積緩變與突變的機制?；诮y(tǒng)計分析和國際先進的全耦合模式，厘清多氣候模態(tài)對南極海冰范圍和體積變化的共同作用，深入理解海洋-大氣相互作用對南極海冰緩變和突變過程的耦合影響。此外，南極海冰變化主要源自海冰運動所導(dǎo)致的輻合輻散、形變以及海洋和大氣的溫度異常所導(dǎo)致的海冰增減。海冰的動力和熱力學(xué)因素對南極海冰范圍、厚度和體積變化的作用不同，因此應(yīng)準(zhǔn)確區(qū)分南極海冰的動力和熱力學(xué)變化規(guī)律和影響因子。同時，應(yīng)發(fā)展長時間的古氣候數(shù)據(jù)，比較內(nèi)部變率和人為因素對南極海冰變化的貢獻。基于更加完善的海冰變化機制，應(yīng)發(fā)展適用于南大洋的氣候模式參數(shù)化過程，改進氣候模式對南極海冰的模擬和預(yù)測能力。

第三是進一步評估南極海冰變化的氣候效應(yīng)。南極海冰變化通過影響大氣環(huán)流進而影響南極冰蓋和氣候，但大氣環(huán)流對不同區(qū)域、不同強度海冰變化的響應(yīng)并不相同[108]。因此需要抓住近些年南極海冰變化的關(guān)鍵特征，并基于國際先進的大氣模式和全耦合模式設(shè)計數(shù)值試驗。此外，通過對大氣模式和全耦合模式結(jié)果的對比分析，找出大氣和海洋系統(tǒng)對海冰變化的主要反饋機制，從而系統(tǒng)揭示海冰變化對氣候的影響機理。